Considerazioni sull’Alimentazione nei Sistemi Embedded Avanzati

Alix Paultre, GlobTek (www.globtek.com)

La migrazione dei sottosistemi intelligenti nei prodotti a ogni livello di funzionamento rappresenta una vera e propria fusione di elettronica e meccanica, che costituisce la prossima fase e possibilmente il culmine della rivoluzione industriale. Tuttavia, l'integrazione di senso, movimento e logica in tutte le parti di un sistema porta con sé anche nuove sfide nella gestione dell’alimentazione (o vecchie in abiti nuovi).

L'integrazione di sensi, logica, movimento ed espressione negli oggetti che ci circondano promette di portare in alto la nostra industria e ci offre una crescente opportunità di aggiungere valore ai nostri prodotti. Nonostante l’aumentata funzionalità utente aiuti tutti, dal progettista e costruttore all'utente e alla socetà stessa, crea anche una sfida al progettista che deve garantire che l'infrastruttura di energia dei sistemi coinvolti possa funzionare a dovere come richiesto.

Pressioni interne

Le forze trainanti dello sviluppo tecnico a volte tirano nella medesima direzione (che quella direzione sia quella giusta è del tutto un altro discorso). Nel campo dei sistemi embedded, le forze che trainano il mercato sono molteplici. La necessità di piccole dimensioni e peso ridotto nei dispositivi personali possono integrarsi alla perfezione con i progressi nella complessità e integrazione dei circuiti, ma dà anche al progettista il problema di creare un elegante architettura di sistema che serva e supporti i sottosistemi coinvolti. Completano il quadro ulteriori richieste da parte dell'industria di risparmio dei materiali e riduzione delle dimensioni e del peso, dato che i sottosistemi elettronici sono più piccoli, più efficienti, e integrano più funzionalità in un unico pacchetto che mai precedentemente.

Nel settore della gestione dell’alimentazione elettrica, queste forze spesso creano richieste sistema contraddittorie, come quando il desiderio di miniaturizzare si imbatte in richieste di ingrandire (embiggening) i dispositivi, come nel caso di grosse batterie che permettano tempi operativi più lunghi o della tecnologia per schermare la diffusione del calore e garantire un utilizzo a temperatura confortevole. Tali pressioni creano problemi tormentosi per il progettista. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, le soluzioni trovate per affrontare questi problemi portano fuori prodotti nuovi e migliori da ogni settore del mercato. Migliori batterie, migliori software e dispositivi di gestione dell’alimentazione e migliorate topologie di design risolvono molti dei problemi, ma molti ancora rimangono.

Problemi di sistema

Esistono molti problemi di spazio di sistema e di architettura in ogni prodotto moderno. Antenne, connettori, schermi e altri sistemi Input/Output e di interfaccia non solo richiedono spazio dentro e sul dispositivo, ma hanno anche bisogno di infrastrutture di sistema che possono essere in conflitto con i requisiti di progettazione principali. Anche la maggior parte di questi sottosistemi comportano problemi di alimentazione - i display hanno bisogno di retroilluminazione, i connettori di schermatura e messa a terra, e alcune antenne bisogno di alimentazione (e talvolta la logica) per funzionare correttamente.

Altre considerazioni di sistema includono anche le potenziali periferiche. Nel caso di dispositivi per l’utente, per esempio, non si può prevedere ciò che il cliente collegherà ad una porta, o anche se le porte verranno utilizzate correttamente. Molti di voi hanno probabilmente sperimentato personalmente la situazione in cui l’inserire un prodotto USB travolge la capacità del dispositivo genitore di alimentarlo. Per aggiungere al danno la beffa, abbiamo visto tutti soluzioni di dispositivi per l’utente comune che possono rendere più "cool" l’apparecchio per quello che riguarda stile o funzionalità (da non confondere con hack da "raffreddamento"), ma rendono il prodotto insicuro. Nei sistemi di tipo industriale, medico e militare/aeronautico situazioni simili possono potenzialmente verificarsi (in particolare con sistemi militari utilizzati sul campo, in quanto i soldati sono soliti improvvisare), ma questo problema può essere mitigato grazie al design dell’involucro e/o del connettore.

La natura sconosciuta delle periferiche obbliga il progettista a diventare un chiaroveggente oltre che un ingegnere. In materia di energia, il problema è aggravato dal fatto che ogni comune interfaccia mista segnale/power è guidata dalle esigenze del segnale, mentre poco viene fatto per le esigenze di alimentazione. In alcuni casi, come in Power over Ethernet, il connettore standard non era stato affatto progettato per gestire l’alimentazione, e in altri, come l’USB 3, i requisiti di alimentazione aggiornati hanno fatto venire il mal di testa a causa dei connettori legacy e degli standard costruiti intorno a loro.

I tanti tipi d’uso dell’alimentazione via USB potenzialmente possono offrire diversi livelli di confusione per l'utente, in quanto sono consentiti diversi livelli di potenza nei dispositivi compatibili USB. Inoltre, a partire USB Battery Charging Specification del 2007, è stato creata la categoria porta di "carica", permettendo correnti di alimentazione superiori a 0,5 A senza negoziazione digitale. Un prodotto è in grado di identificare se si sta accedendo ad una charging downstream port (CDP), che supporta anche i trasferimenti, o ad una dedicated charging port (DCP) senza dati, ma solo dal modo in cui gli spinotti D + e D- sono collegati.

Multi port USB wall outlet

Didascalia: Oggi molti considerano la porta USB come l’alimentazione standard per i dispositivi portatili, al punto che si può comprare un multi-USB di alimentazione tanto facilmente quanto acquistare una normale presa di corrente.

Questo problema si verifica anche con altri sistemi basati su segnale via cavo. Powered Ethernet è un ampliamento delle specifiche del cavo standard di gran lunga al di là di quello che i progettisti avevano originariamente previsto per le specifiche stesse, e ancora oggi per usare alimentazione nei sistemi Ethernet si deve di solito utilizzare un dispositivo che immetta energia di qualche tipo. Una vera soluzione sarebbe quella di creare un generale databus standard orientato all’alimentazione, uno che utilizza SMBus o un altro standard inter-dispositivo generalmente riconosciuto per la gestione del sistema, ma con la capacità di gestire energia per alimentare sensori, attuatori, trasduttori e sottosistemi di riscaldamento o di illuminazione, senza sovraccaricare i cavi e le interconnessioni.

Questioni esterne

Qualsiasi prodotto mai realizzato è stato costretto a operare in ambienti per i quali non era stato progettato, ma una corretta progettazione è in grado di garantire la più vasta tolleranza ambientale possibile. Ogni prodotto di consumo dovrebbe essere in grado di sopportare la temperatura interna e le condizioni di umidità all'interno di veicoli, per esempio. La maggior parte dei dispositivi creati per uso personale, non solo vengono usati in macchina, ma spesso finiscono per vivere stabilmente in macchina come parte dell'elettronica interna o acquistata in seguito, oppure semplicemente perché vengono dimenticati nel vano portaoggetti. I problemi termici possono direttamente influire sul funzionamento del dispositivo in modo negativo, con una conseguente riduzione del funzionamento dei sistemi di alimentazione coinvolti e un aumento della temperatura dei sistemi di logica. Nel peggiore dei casi, sottovalutare l'impatto del contesto ambientale potrebbe provocare avarie catastrofiche per il sistema della batteria in questione.

Altri problemi ambientali relativi al veicolo comprendono il trasporto via mare o via aerea. Le questioni concernenti il mare sono ben note; i problemi per lo più riguardano la resistenza all'umidità e la protezione galvanica. Urti e vibrazioni sono altri problemi troppo spesso trascurati, in quanto hanno un impatto sui sistemi di alimentazione nell’area dei connettore di alimentazione e dell’integrità asse-traccia. Il calore è un altro problema sottovalutato, in quanto il micro-ambiente su una nave può variare notevolmente a seconda della posizione e la natura dei carichi di calore coinvolti (sole, calore del motore).

Nel settore aereo c'è un altro problema concernente la gestione termica poco conosciuto (o più probabilmente, poco ricordato). A seconda del tipo di aeromobile e di dove il dispositivo si trova, la pressione può variare notevolmente. Così come vi è una grande differenza nel livello di ossigeno presente nei polmoni se ci si trova in un aereo pressurizzato a 8.000 o 12.000 piedi, vi è anche una notevole differenza nella quantità di aria fisica presente che passa attraverso il vostro dissipatore di calore. Un sistema di basato sulla convezione che funziona con un livello di tolleranza soddisfacente a livello del mare non è in grado di raffreddare a sufficienza un dispositivo in quota (soprattutto se si trova vicino ad una fonte di calore come motori, altri dispositivi elettronici, o esposto alla luce solare). I sistemi di raffreddamento, soprattutto in un tipi di funzionamente critici o in prodotti per la registrazione dei dati, devono sempre tener conto dei potenziali ambienti che potrebbe essere ragionevolmente previsto di dover incontrare.

Quando si tratta di alimentazione di sistemi embedded avanzati ci sono molti altri problemi, ma con una buona infrastruttura bus di alimentazione e la necessaria attenzione alle questioni che riguardano l’ambiente di funzionamento, è possibile affrontarli meglio e creare un prodotto migliore.

Se avete bisogno di aiuto per i vostri problemi di alimentazione, non esitate a contattarmi qui a GlobTek (paultrea@globtek.com): sarò felice di aiutarvi.


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